本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点
事件视界望远镜(EHT)的天文学家用来观测黑洞的技术被称为甚长基线干涉测量技术,或 VLBI,但它也可以被称为极度延迟满足天文学:在观测运行结束后,可能需要数周或数月才能 выяснить 望远镜阵列是否真的观测到了任何东西。我们稍后会解释延迟的原因。不过,首先,先说一些新闻:新升级和部署的 EHT 站点确实开始看到东西了。
现在,构成事件视界望远镜阵列的大部分必要设备已经安装在望远镜中——手工制造的高频低温接收器;全新的高带宽数字信号处理器和记录器,每晚可以吞噬数 TB 的数据;原子钟;以及将这些东西连接在一起的其他关键部件——现在的诀窍是让望远镜协同工作。这需要同时进行观测,并在成对站点之间寻找共同的探测结果,一对一对地进行。
当射电干涉仪中的两台望远镜做出共同探测时——当两台望远镜都记录到完全相同的光波时——天文学家说他们在两个站点之间“找到了条纹”。“找到条纹”并不是一个直观的概念,我们稍后会解释它的含义,但首先,让我告诉你 EHT 到目前为止发现了哪些新的条纹。
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1. 南极望远镜和智利的阿塔卡玛探路者实验之间的条纹。今年 1 月,天文学家利用这两个站点观测了人马座 A* 和半人马座 A,这是一个距离地球 1000 万光年的射电星系,其核心包含一个质量为 5500 万个太阳的黑洞。今年 4 月,研究小组宣布,在 1 月的观测期间,这两个站点成功地对两个黑洞进行了共同探测。
2. 到墨西哥大型毫米波望远镜的条纹。
3. 到莫纳克亚山上的亚毫米波阵列(SMA)的条纹,史密森天体物理天文台的乔纳森·温特劳布领导的团队刚刚为该阵列配备了一个新的相关器——基本上,这是一种机器,可以将 SMA 小天线的信号关联起来,并将它们加在一起,就好像它们来自一个天线一样。
4. 阿塔卡玛探路者实验和阿塔卡玛大型毫米波阵列(ALMA)之间在 1 月份产生的条纹,证明后者——世界上最大、最灵敏的同类仪器——可以进行甚长基线干涉测量,而这并非其最初的设计目的。
“条纹”一词指的是两条光束相交时形成的干涉图案。干涉条纹的概念可以追溯到杨氏双缝实验。当这些波“同相”时——也就是说,当波峰与波峰对齐,波谷与波谷对齐时——它们会叠加在一起,产生更强的信号。当它们异相时,它们会相互抵消。结果是一系列明暗交替的条纹。
我打电话给 EHT 主任谢普·多尔曼,请他解释一下“条纹”一词在 VLBI 中的确切含义。我将完整引用他的回答
“‘条纹’实际上是一个历史参考。我通常认为它是一种干涉图案。它是光的相干合并,它告诉你一些关于光线来源的信息,因为它产生的图案。将激光照射到两条细缝上,屏幕[在这些细缝后面]的不同点会变亮和变暗,因为在某些点,路径长度差是波长的某个分数。当路径长度是整个波长时,你会得到相长干涉。当它不是整个波长时,你会得到相消干涉。你能从中了解到什么?如果你知道从狭缝到屏幕的距离,你就可以知道狭缝之间的距离。”
“通过 VLBI,我们试图找到来自黑洞的球面波前的干涉图案。将黑洞想象成双缝;它正在整个宇宙中产生干涉图案或条纹,直到我们地球。如果我们能够测量这些干涉图案——绕着波前走一圈,说这里有相长干涉,这里有相消干涉——我们就可以拼凑出黑洞的样子。正是黑洞的形状和结构形成了干涉图案。基本上,我们从世界各地收集数据,并比较数据,这告诉我们图案是什么样的。整个 VLBI 网络都在叠加那个球面波。”
一旦你理解了叠加在地球不同站点收集到的波所涉及的内容,就很容易理解为什么获得条纹需要这么长时间。
“为了进行测量,你必须非常精确地了解地球的几何形状。你必须对齐在智利、加利福尼亚和夏威夷等地收集到的波,然后回放它们并进行比较。当你回放它们并看到智利和加利福尼亚的信号之间存在一些共性时,你就会说‘啊哈,我们有条纹了’。我们能够验证仪器是否工作。”
之所以这么难做到,原因是:“我们不知道[找到共同探测结果的]确切频率,因为地球在旋转。一个地方获得的信号会比另一个地方略微多普勒频移。此外,还有延迟,因为不同地方的大气层不同。另外,我们不知道地球上望远镜的位置精确到毫米级”,而这正是事件视界望远镜收集的光的波长。“我们知道望远镜的位置精确到 10 厘米以内,因为这是我们从 GPS 获得的精度。光在一纳秒内传播大约一英尺。因此,如果我们偏差了三四五英尺,我们就必须四处搜索才能找到条纹在哪里。同样,由于地球在旋转,站点之间的频移可能是几毫赫兹,或千分之一赫兹。延迟很大程度上来自不同的来源。可能是望远镜结构的膨胀。可能是我们一开始就不知道望远镜在哪里。也许在光束的某个地方插入了什么东西。”
每次我听到用这些术语解释 VLBI 时,我都会惊讶于这项技术竟然奏效。但它确实奏效。到目前为止,至少,事件视界望远镜中新升级的望远镜似乎也奏效了。